Significance Certain oligomeric species generated during the self-assembly of specific proteins into ordered fibrillar aggregates are likely to be key players in the initiation and spreading of neurodegenerative diseases. We have purified stable toxic oligomeric species of α-synuclein and defined and minimized their degree of heterogeneity, which has allowed us to identify distinct subgroups of oligomers and determine their structural properties and three-dimensional molecular architectures. All the oligomeric subgroups possess approximately cylindrical architectures with marked similarities to amyloid fibrils, suggesting that these types of oligomers are kinetically trapped during protein self-assembly. The relative stabilities and inherent pathological roles of different amyloid oligomers are likely to result from the multiplicity of pathways of the misfolding process and the remarkably slow rates of structural conversions.

Abstract In most bacteria, division depends on a cytoskeletal structure, the Z ring, which serves as a scaffold for recruiting additional proteins, with which it forms the machinery responsible for division, the divisome. The detailed architecture of the ring, in particular the mechanisms of assembly, stabilization, and disassembly, are still largely unknown. Here, we highlight the role of FtsZ-associated proteins (Zaps) in stabilizing the Z ring by crosslinking the filaments. Among Zap proteins, ZapD binds the C-terminal domain of FtsZ, which serves as a hub for its regulation. We demonstrate that ZapD crosslinks FtsZ filaments in solution into toroidal structures formed by an arrangement of short, curved filaments. Using cryo-electron tomography combined with biochemical analysis, we reveal the three-dimensional organization of FtsZ within the toroids, shedding light on the crosslinking mechanism by ZapD. In spite of the compositional simplicity of our reconstituted system, the structural organization of the FtsZ polymers by ZapD appears to be compatible with the current model of the Z ring in the bacterial cell.

Biomolecular condensation through phase separation may be a novel mechanism to regulate bacterial processes, including cell division. Previous work revealed FtsZ, a protein essential for cytokinesis in most bacteria, and the E. coli division site selection factor SlmA form FtsZ∙SlmA biomolecular condensates. The absence of condensates composed solely of FtsZ under the conditions used in that study suggested this mechanism was restricted to nucleoid occlusion or SlmA-containing bacteria. Here we report that FtsZ alone can demix into condensates in bulk and when encapsulated in synthetic cell-like systems. Condensate assembly depends on FtsZ being in the GDP-bound state and on crowding conditions that promote its oligomerization. FtsZ condensates are dynamic and gradually convert into FtsZ filaments upon GTP addition. Notably, FtsZ lacking its C-terminal disordered region, a structural element likely to favor biomolecular condensation, also forms condensates, albeit less efficiently. The inherent tendency of FtsZ to form condensates susceptible to modulation by physiological factors, including binding partners, suggests that such mechanisms may play a more general role in bacterial cell division than initially envisioned.

Abstract C3G is a guanine nucleotide exchange factor (GEF) that activates Rap1 to promote cell adhesion. Resting C3G is autoinhibited and the GEF activity is released by stimuli that signal through tyrosine kinases. Tyrosine phosphorylation of C3G and interaction with Crk adaptor proteins, whose expression is increased in multiple human cancers, participate in C3G activation. However, the molecular details of C3G activation and the interplay between C3G phosphorylation and Crk interaction are poorly understood. Here, we combine biochemical, biophysical, and cell biology approaches to elucidate the mechanisms of C3G activation. CrkL interacts through its SH3N domain with the proline-rich motifs P1 and P2 of inactive C3G in vitro and in Jurkat and HEK293T cells, and these sites are necessary to recruit C3G to the plasma membrane. However, direct stimulation of the GEF activity requires binding of Crk proteins to the P3 and P4 sites. P3 is occluded in resting C3G and is essential for activation, while P4 contributes secondarily towards complete stimulation. Tyrosine phosphorylation of C3G alone causes marginal activation. Instead, phosphorylation primes C3G lowering the concentration of Crk proteins required for activation and increasing the maximum activity. Unexpectedly, optimal activation also requires the interaction of CrkL-SH2 domain with phosphorylated C3G. Phosphorylation and Crk-binding form a two-factor mechanism that ensures tight control of C3G activation. The simultaneous SH2 and SH3N interaction of CrkL with C3G, required for the activation, reveals a novel adaptor-independent function of Crk proteins relevant to understanding their role in physiological signaling and their deregulation in diseases.

Bacterial cytokinesis is driven by a contractile ring of FtsZ protein polymers at midcell. FtsZ can also form phase-separated biomolecular condensates with potential implications for cytokinesis and development of antibiotic-tolerant persister cells. In

Division ring formation at midcell is controlled by various mechanisms in Escherichia coli, one of them being the linkage between the chromosomal Ter macrodomain and the Z-ring mediated by MatP, a DNA binding protein that organizes this macrodomain and contributes to the prevention of premature chromosome segregation. Here we show that, during cell division, just before splitting the daughter cells, MatP seems to localize close to the cytoplasmic membrane, suggesting that this protein might interact with lipids. To test this hypothesis, we investigated MatP interaction with lipids in vitro. We found that MatP, when encapsulated inside microdroplets generated by microfluidics and giant vesicles, accumulates at phospholipid bilayers and monolayers matching the lipid composition in the E. coli inner membrane. MatP binding to lipids was independently confirmed using lipid coated microbeads and bio-layer interferometry assays. Interaction of MatP with the lipid membranes also occurs in the presence of the DNA sequences specifically targeted by the protein but there is no evidence of ternary membrane/protein/DNA complexes. We propose that the interaction of MatP with lipids may modulate its spatiotemporal localization and its recognition of other ligands.

The mechanism of bacterial cell division is largely unknown. The protein machinery performing cell division is organized by FtsZ, a tubulin-homolog that forms treadmilling filaments at the cell division site. Treadmilling is thought to actively move proteins around the cell thereby distributing peptidoglycan synthesis to make two new cell poles. To understand this process, we reconstituted part of the bacterial cell division machinery using the purified components FtsZ, FtsA and truncated transmembrane proteins essential for cell division. We found that membrane-bound cytosolic peptides of FtsN and FtsQ co-migrated with treadmilling FtsZ-FtsA filaments. Remarkably, rather than moving in a directed fashion, individual peptides followed FtsZ filaments by a diffusion-and-capture mechanism. Our work provides a mechanism for how the Z-ring dynamically recruits divisome proteins and highlights the importance of transient interactions for the self-organization of complex biological structures. We propose that this mechanism is used more widely to organize and transmit spatiotemporal information in living cells.